FR3132742A3 - Piston de pompe et pompe cryogénique comprenant un tel piston - Google Patents

Piston de pompe et pompe cryogénique comprenant un tel piston Download PDF

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Abstract

Piston de pompe cryogénique, comprenant une tige (2) de piston s’étendant selon une direction longitudinale et munie à une de ses extrémités d’une tête (3) destinée à assurer la compression de fluide dans une chambre de compression, la tête (3) comprenant une pluralité de gorges (4) périphériques destinées à recevoir chacune un segment (5) ou joint d’étanchéité torique, chaque gorge (4) étant délimitée par un fond s’étendant selon la direction longitudinale et des parois d’extrémité perpendiculaires à la direction longitudinale, caractérisé en ce que au moins une des parois d’extrémité d’une gorge (4) est formée par un portion (6, 7) du piston (1) qui est montée de façon démontable par rapport au reste du piston (1) comprenant l’autre paroi d’extrémité de la gorge (4) Figure de l’abrégé : Fig. 1

Description

Piston de pompe et pompe cryogénique comprenant un tel piston
L’invention concerne un piston de pompe ainsi qu’une pompe cryogénique comprenant un tel piston.
L’invention concerne plus particulièrement un piston de pompe, en particulier de pompe cryogénique, comprenant une tige de piston s’étendant selon une direction longitudinale et munie à une de ses extrémités d’une tête destinée à assurer la compression de fluide dans une chambre de compression, la tête comprenant une pluralité de gorges périphériques destinées à recevoir chacune un segment ou joint d’étanchéité torique, chaque gorge étant délimitée par un fond s’étendant selon la direction longitudinale et des parois d’extrémité perpendiculaires à la direction longitudinale.
La grande majorité (voir la totalité) des pompes cryogéniques à piston connues utilisent plusieurs rangées de segments (ou joints) pour assurer l’étanchéité.
Ces segments ont généralement une base métal (type bronze) et sont ouverts afin de faciliter leur installation et permettre un bon contact avec la paroi de la chambre de compression. C’est-à-dire que les segments ont une structure annulaire ouverte, où le contour est interrompu par une fente permettant l’écartement du joint et le montage sur le piston. L’utilisation de segments ouverts avec une base de métal pour les pompes cryogéniques est une technologie éprouvée depuis des décennies. Cette technologie représente une solution économique avec une maintenance aisée. Les inconvénients de la technologie, toutefois, sont l’usure importante de ces joints, leur relativement faible étanchéité (d’où la nécessité d’avoir recours à plusieurs rangées de segments) ainsi que l’échauffement local assez important du fait du frottement métal/métal.
Pour l’application à l’hydrogène liquide, les inconvénients évoqués ci-dessus (maintenance, fuite, échauffement) sont particulièrement critiques du fait des propriétés de la molécule (faible densité et taille caractéristique). Ceci provoque des fuites plus importantes. Sa faible enthalpie de vaporisation rend l’hydrogène plus sensible à l’échauffement. Son caractère inflammable et sa faible température nécessitent une procédure assez lourde lors des maintenances (réchauffage, inertage à l’hélium ou à l’azote ou autre gaz inerte…).
De plus, les pompes volumétriques pour l’hydrogène liquide ont pour vocation d’être installées dans des stations-service de remplissage avec une grande disponibilité. Ceci rend les problématiques de maintenance encore plus critiques.
Dans ce contexte, il est nécessaire de développer des nouvelles technologies de joints pour les pompes volumétriques cryogéniques, qui permettent de réduire considérablement l’usure, les fuites et la friction. Il est connu d’utiliser de nouveaux designs type joints fermés énergisés qui présentent, en général, une section de type “en C”. Cependant, les têtes de piston ne permettent pas l’utilisation de ces joints fermés car ils devraient être déformés au-delà de leur limite élastique lors de leur mise en place dans leurs gorges respectives.
Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur relevés ci-dessus.
A cette fin, le piston selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu’en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que au moins une des parois d’extrémité d’une gorge est formée par un portion du piston qui est montée de façon démontable par rapport au reste du piston comprenant l’autre paroi d’extrémité de la gorge.
Ceci permet la mise en place de joints fermés sans que ces derniers subissent une déformation qui dégraderait leurs propriétés mécaniques.
Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
  • la portion du piston est montée de façon démontable selon la direction longitudinale par rapport au reste du piston,
  • la portion du piston est montée de façon démontable par rapport au reste du piston via un système de filetage et taraudage,
  • la paroi d’extrémité la plus proche de la tige d’une gorge est formée par le corps de la tige,
  • le piston comprend plusieurs portions de piston montées de façon démontables et formant chacune une paroi d’extrémité d’une gorge respective,
  • le piston comprend au moins deux portions de piston montées de façon démontables et ayant des structures et/ou matériaux et/ou géométries différentes,
  • le piston comprend au moins deux portions de piston montées de façon démontables l’une avec l’autre,
  • les gorges comprennent chacune un joint ou segment d’étanchéité de type fermé,
  • les joints d’étanchéité sont du type énergisé.
L’invention concerne également une pompe cryogénique comprenant un piston selon l’une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous.
L’invention concerne également une pompe cryogénique comprenant une enceinte étanche destinée à contenir un bain de fluide cryogénique, l’enceinte abritant une chambre de compression communiquant avec le bain et un piston mobile pour assurer la compression du fluide dans la chambre de compression, un mécanisme d'entraînement du piston dans un mouvement d’allers-retours selon une direction de mouvement dans laquelle le piston est conforme à l’une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous.
L’invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendications.
D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :
représente une vue partiellement en coupe longitudinale, schématique et partielle, illustrant un exemple de structure et le fonctionnement d’un piston de selon l’invention,
représente une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d’un exemple de pompe cryogénique susceptible de mettre en œuvre l’invention.
Le piston 1 illustré à la comprend une tige 2 de piston (ou arbre) s’étendant selon une direction longitudinale et munie à une de ses extrémités d’une tête 3 de piston destinée à assurer la compression de fluide dans une chambre de compression. La tête 5 est par exemple cylindrique et comprend une pluralité de gorges 4 périphériques circulaires destinées à recevoir chacune un segment 5 ou joint d’étanchéité torique.
Chaque gorge 4 est délimitée par un fond s’étendant selon la direction longitudinale (par exemple un fond plan qui est parallèle à l’axe longitudinal). Le fond est délimité longitudinalement par respectivement deux parois d’extrémité qui s’étendent perpendiculairement à la direction longitudinale.
Bien entendu cet exemple n’est pas limitatif. Ainsi, le fond pourrait avoir une inclinaison par rapport à l'axe longitudinal, ou alors pourrait avoir une autre forme.
Selon une particularité avantageuse, au moins une des parois d’extrémité d’une gorge 4 est formée par au moins une portion 6 du piston 1 qui est assemblée de façon démontable par rapport au reste du piston 1 comprenant l’autre paroi d’extrémité de la gorge 4.
C’est-à-dire que la tête 3 du piston 1 peut être composée d’un ensemble de pièces 2, 6, 7 démontables et indépendantes.
Par exemple, une pièce 7 peut former l’extrémité du piston.
Ces pièces 2, 6, 7 sont par exemple assemblées par un système de filetage et taraudage. Par exemple une pièce 6 est filetée et coopère avec un trou taraudé de la pièce 2, 6, 7 adjacente. Les différentes parties peuvent être assemblées ou être séparées suivant l’axe 2 du piston.
Chaque pièce 2, 6, 7 peut comporter un épaulement transversal formant une portion de gorge 4 ouverte, préférentiellement du même côté que le taraudage. L’autre extrémité de la gorge 4 est formée par la pièce 6, 7 adjacente.
Cette structure modulaire permet d’installer, avant assemblage des deux pièces, un joint 5 fermé, par exemple un joint énergisé sans avoir à le déformer.
Comme illustré, la portion de la gorge 4 la plus proche de l’arbre 2 peut être formée par le corps de l’arbre 2.
Le nombre de pièces 6, 7 à assembler longitudinalement peut être compris entre deux et dix ou plus, en fonction de l’application (pression max, durée de vie). Ceci permet de prévoir autant de gorges 4 pour des joints 5.
Les pièces 6, 7 ainsi assemblées en série peuvent être identiques ou différentes (dimensions de gorge plus ou moins importantes, par exemple, matériaux différents…), en fonction des besoins. Ceci permet une grande modularité et adaptabilité du piston 3 en conservant le même axe 2.
Ceci permet une architecture de tête 3 de piston permettant l’utilisation de plusieurs joints 5 fermés partageant le même alignement, et dont l’installation (ou leur retrait) ne nécessite pas leur déformation qui endommagerait leurs propriétés mécaniques.
La maintenance est également aisée: les pièces usées du piston 1 (extrémité de piston, pièces support) peuvent être aisément remplacées.
Une variante avantageuse peut consister à assembler ensemble plusieurs portions 6, 7 avant de visser cet ensemble directement sur la tige 2 du piston. Dans ce cas, il peut ne pas y avoir de gorge ni de joint entre la tige et la première portion 6, 7 de l’ensemble. Cette variante permet de réduire les temps de fabrication et de maintenance.
Cette structure peut s’appliquer avantageusement au piston 3 d’une pompe cryogénique telle que représentés schématiquement à la . Une telle pompe peut comporter par exemple une enceinte 8 étanche destinée à contenir un bain de fluide cryogénique. L’enceinte 8 abrite une chambre 9 de compression communiquant avec le bain. Le piston 1 mobile pour assurer la compression du fluide dans la chambre 9 de compression via un mécanisme 10 d'entraînement motorisé de la tige 2 du piston 1 dans un mouvement d’allers-retours selon une direction de mouvement. Un système d’admission 11, 12 du fluide à comprimer et de refoulement 13, 14 du fluide comprimé communique avec la chambre 9 de compression.
L’invention peut s’appliquer à tout autre type de pompe ou compresseur à piston.

Claims (11)

  1. Piston de pompe, en particulier de pompe cryogénique, comprenant une tige (2) de piston s’étendant selon une direction longitudinale et munie à une de ses extrémités d’une tête (3) destinée à assurer la compression de fluide dans une chambre de compression, la tête (3) comprenant une pluralité de gorges (4) périphériques destinées à recevoir chacune un segment (5) ou joint d’étanchéité torique, chaque gorge (4) étant délimitée par un fond s’étendant selon la direction longitudinale et des parois d’extrémité perpendiculaires à la direction longitudinale, caractérisé en ce que au moins une des parois d’extrémité d’une gorge (4) est formée par un portion (6, 7) du piston (1) qui est montée de façon démontable par rapport au reste du piston (1) comprenant l’autre paroi d’extrémité de la gorge (4).
  2. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que la portion (6, 7) du piston est montée de façon démontable selon la direction longitudinale par rapport au reste du piston (1).
  3. Piston selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la portion (6, 7) du piston est montée de façon démontable par rapport au reste du piston (1) via un système de filetage et taraudage.
  4. Piston selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la paroi d’extrémité la plus proche de la tige (2) d’une gorge (4) est formée par le corps de la tige (2).
  5. Piston selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu’il comprend plusieurs portions (6, 7) de piston (1) montées de façon démontables et formant chacune une paroi d’extrémité d’une gorge (4) respective.
  6. Piston selon la revendication 5, caractérisé en ce qu’il comprend au moins deux portions (6, 7) de piston (1) montées de façon démontables et ayant des structures et/ou matériaux et/ou géométries différentes.
  7. Piston selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu’il comprend au moins deux portions (6, 7) de piston (1) montées de façon démontables l’une avec l’autre.
  8. Piston selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les gorges (4) comprennent chacune un joint ou segment (5) d’étanchéité de type fermé.
  9. Piston selon la revendication 8, caractérisé en ce que les joints (5) d’étanchéité sont du type énergisé.
  10. Pompe cryogénique comprenant un piston selon l’une quelconque des revendications 1 à 9.
  11. Pompe cryogénique comprenant une enceinte (8) étanche destinée à contenir un bain de fluide cryogénique, l’enceinte (8) abritant une chambre (9) de compression communiquant avec le bain et un piston (1) mobile pour assurer la compression du fluide dans la chambre (9) de compression, un mécanisme (10) d'entraînement du piston (1) dans un mouvement d’allers-retours selon une direction de mouvement, caractérisé en ce que le piston (1) est conforme à l’une quelconque des revendications 1 à 9.
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